Effect of the porosity on the fracture surface roughness of sintered materials: From anisotropic to isotropic self-affine scaling

To unravel how the microstructure affects the fracture surface roughness in heterogeneous brittle solids like rocks or ceramics, we characterized the roughness statistics of post-mortem fracture surfaces in home-made materials of adjustable microstructure length-scale and porosity, obtained by sintering monodisperse polystyrene beads. Beyond the characteristic size of disorder, the roughness profiles are found to exhibit self-affine scaling features evolving with porosity. Starting from a null value and increasing the porosity, we quantitatively modify the self-affine scaling properties from anisotropic (at low porosity) to isotropic (for porosity larger than 10 %).Comment: 10 pages, 10 figures, Physical Review E in Jan 2015, Vol. 91 Issue

Crack Front Segmentation and Facet Coarsening in Mixed-Mode Fracture

A planar crack generically segments into an array of "daughter cracks" shaped as tilted facets when loaded with both a tensile stress normal to the crack plane (mode I) and a shear stress parallel to the crack front (mode III). We investigate facet propagation and coarsening using in-situ microscopy observations of fracture surfaces at different stages of quasi-static mixed-mode crack propagation and phase-field simulations. The results demonstrate that the bifurcation from propagating planar to segmented crack front is strongly subcritical, reconciling previous theoretical predictions of linear stability analysis with experimental observations. They further show that facet coarsening is a self- similar process driven by a spatial period-doubling instability of facet arrays with a growth rate dependent on mode mixity. Those results have important implications for understanding the failure of a wide range of materials

Transition to Chaos in an acoustically-driven cavity flow

We consider the unsteady regimes of an acoustically-driven jet that forces a recirculating flow through successive reflections on the walls of a square cavity. The specific question being addressed is to know whether the system can sustain states of low-dimensional chaos when the acoustic intensity driving the jet is increased, and, if so, to characterise the pathway and underlying physical mechanisms. We adopt two complementary approaches, both based on data extracted from numerical simulations: (i) We first characterise successive bifurcations through the analysis of leading frequencies. Two successive phases in the evolution of the system are singled out in this way, both leading to potentially chaotic states. The two phases are separated by a drastic simplification of the dynamics that immediately follows the emergence of intermittency. The second phase also features a second intermediate state where the dynamics is simplified due to frequency-locking. (ii) Nonlinear time series analysis enables us to reconstruct the attractor of the underlying dynamical system, and to calculate its correlation dimension and leading Lyapunov exponent. Both these quantities bring confirmation that the state preceding the dynamic simplification that initiates the second phase is chaotic. Poincar\'e maps further reveal that this chaotic state in fact results from a dynamic instability of the system between two non-chaotic states respectively observed at slightly lower and slightly higher acoustic forcing.Comment: 28 pages, 19 figure

Caractérisation de la croissance transitoire de perturbations 3D stationnaires introduites par des générateurs de vortex dans une couche limite. Application au contrôle d'un écoulement décollé.

Nous étudions expérimentalement l’influence de Générateurs de Vortex (GV) sur les propriétés d’une couche limite sur plaque plane ainsi que sur un écoulement décollé. Nous caractérisons l’évolution spatiale des perturbations 3D stationnaires dans une couche limite sur plaque plane en fonction du nombre de Reynolds et de l’espacement des GVs. Nous caractérisons ensuite l’influence de ces perturbations sur l’écoulement décollé sur une paroi courbe

Étude par vélocimétrie volumique d'un jet dans un écoulement transverse à faibles ratios de vitesses.

This thesis is dedicated to the experimental study of a Jet In Cross-Flow(JICF). The flow is monophasic and isothermal. The velocity ratio (VR)between jet and cross-flow velocities is low (0.15 < VR < 3), and the jet exitis flush at the wall. Diverse jet geometries are considered: circular,elliptic, rectangular, and winglet.This study was realized in hydraulic channel using a new opticalvelocimetry method (V3V) which provides accurate measurements of the 3components of the instantaneous velocity field. The whole experimentalprocess was optimized. The physics of the JICF is investigated by means ofthe average and instantaneous fields, through their statistics and using aspatial follow-up of the main vortical structures.The influence of the VR on the flow topology is analyzed, and highlightsthe existence of a blowing transition at very low velocity ratio. Weanalyze in detail the trajectories swirling intensities of the mainvertical structures, and a new scaling of trajectories, taking intoaccountthe boundary layer, is proposed.These results facilitate the interpretation of the elliptic andrectangular, straight and skewed JICF physics. The study of thehalf-winglet geometry allowed for an analysis of the wingletconfiguration,and a better comprehension of their effects on the boundary layer.All these results allows for a better understanding of the jet incross-flow physic at low velocity ratios. They should also be useful forflow control experiments, by providing quantitative criteria to choose therelevant physical and geometrical parameters for vortex generators design.Cette thèse est consacrée à l'étude expérimentale d'un jet en interaction avec un écoulement transverse de paroi (Jet In Cross-Flow, JICF). L'écoulement est monophasique et isotherme. Le ratio des vitesses (VR) de jet et d'écoulement est bas, et le jet est affleurant à la paroi, avec des géométries d'injection diverses : circulaires, elliptiques, rectangulaires, et chevrons. Cette étude a été réalisée en canal hydraulique à l'aide d'une méthode de vélocimétrie volumique optique (V3V) qui permet la mesure instantanée des 3 composantes du champ de vitesses, et l'ensemble du processus expérimental a été optimisé. La physique du JICF est analysée à l'aide des champs moyen et instantané, de statistiques et du suivi spatial de structure tourbillonnaire cohérentes. L'influence du VR sur la topologie d'écoulement est étudiée, et met en évidence l'existence d'une transition de soufflage à très bas ratios de vitesse. Nous étudions en détail les trajectoires et l'évolution des intensités tourbillonnaires des vortex composant le JICF, et un nouveau scaling de trajectoire est proposé. Les outils développés pour l'analyse du JICF rond ont été appliqués aux JICF non circulaires. La géométrie d'injection chevron conserve à la fois une intensité tourbillonnaire élevée et une trajectoire basse de jet, maximisant ainsi l'effet sur la couche limite. L'ensemble de ces résultats permettent une meilleure connaissance des jets transverses à bas VR, et seront très utiles pour la conception d'expériences de contrôle d'écoulement, en apportant des critères quantitatifs pour choisir les bons paramètres physiques et géométriques définissant les générateurs de vortex fluidiques

Innovative origami-based solutions for enhanced quarter-wavelength resonators

International audienc

Etude par vélocimétrie volumique d'un jet dans un écoulement transverse à faibles ratios de vitesses

Cette thèse est consacrée à l étude expérimentale d un jet en interaction avec un écoulement transverse de paroi (Jet In Cross-Flow, JICF). L écoulement est monophasique et isotherme. Le ratio des vitesses (VR) de jet et d écoulement est bas, et le jet est affleurant à la paroi, avec des géométries d injection diverses : circulaires, elliptiques, rectangulaires, et chevrons. Cette étude a été réalisée en canal hydraulique à l aide d une méthode de vélocimétrie volumique optique (V3V) qui permet la mesure instantanée des 3 composantes du champ de vitesses, et l ensemble du processus expérimental a été optimisé. La physique du JICF est analysée à l aide des champs moyen et instantané, de statistiques et du suivi spatial de structure tourbillonnaire cohérentes. L influence du VR sur la topologie d écoulement est étudiée, et met en évidence l existence d une transition de soufflage à très bas ratios de vitesse. Nous étudions en détail les trajectoires et l évolution des intensités tourbillonnaires des vortex composant le JICF, et un nouveau scaling de trajectoire est proposé. Les outils développés pour l analyse du JICF rond ont été appliqués aux JICF non circulaires. La géométrie d injection chevron conserve à la fois une intensité tourbillonnaire élevée et une trajectoire basse de jet, maximisant ainsi l effet sur la couche limite. L ensemble de ces résultats permettent une meilleure connaissance des jets transverses à bas VR, et seront très utiles pour la conception d expériences de contrôle d écoulement, en apportant des critères quantitatifs pour choisir les bons paramètres physiques et géométriques définissant les générateurs de vortex fluidiquesThis thesis is dedicated to the experimental study of a Jet In Cross-Flow (JICF). The flow is monophasic and isothermal. The velocity ratio (VR) between jet and cross-flow velocities is low (0.15<VR<3), and the jet exit is flush at the wall. Diverse jet geometries are considered : circular, elliptic, rectangular, and winglet. This study was realized in hydraulic channel using a new optical velocimetry method (V3V) which provides accurate measurements of the 3 components of the instantaneous velocity field. The whole experimental process was optimized. The physics of the JICF is investigated by means of the average and instantaneous fields, through their statistics and using a spatial follow-up of the main vortical structures. The influence of the VR on the flow topology is analyzed, and highlights the existence of a blowing transition at very low velocity ratio. We analyze in detail the trajectories swirling intensities of the main vertical structures, and a new scaling of trajectories, taking into account the boundary layer, is proposed. These results facilitate the interpretation of the elliptic and rectangular, straight and skewed JICF physics. The study of the half-winglet geometry allowed for an analysis of the winglet configuration, and a better comprehension of their effects on the boundary layer. All these results allows for a better understanding of the jet in cross-flow physic at low velocity ratios. They should also be useful flow control experiments, by providing quantitative criteria to choose the relevant physical and geometrical parameters for vortex generators designPARIS-BIUSJ-Biologie recherche (751052107) / SudocSudocFranceF